La martensite è una struttura metastabile molto dura con una struttura cristallina tetragonale a corpo centrato (BCT). La martensite si forma negli acciai quando la velocità di raffreddamento dall’austenite è così alta che gli atomi di carbonio non hanno il tempo di diffondere fuori dalla struttura cristallina in quantità sufficienti per formare la cementite (Fe3C). Pertanto, è un prodotto di trasformazione senza diffusione. Qualsiasi diffusione porta alla formazione di fasi di ferrite e cementite. Prende il nome dal metallurgista tedesco Adolf Martens (1850-1914).

A differenza della decomposizione isotermica dei costituenti di fase per diffusione, la martensite non è una fase associata all’equilibrio termico. Pertanto, non appare sul diagramma di fase di equilibrio ferro-carbonio. Può essere pensata come un prodotto di trasformazione che è competitivo con la perlite e la bainite.

La microstruttura della martensite negli acciai ha diverse morfologie e può apparire come martensite a listelli o martensite a piastre. Per l’acciaio 0-0,6% di carbonio la martensite ha l’aspetto di listello, ed è chiamata martensite a listello. Per l’acciaio superiore all’1% di carbonio formerà una struttura simile a una piastra, chiamata martensite a piastre. La martensite a placche, come indica il nome, si forma in cristalli lenticolari (a forma di lente) con un motivo a zig zag di placche più piccole. Tra queste due percentuali, l’aspetto fisico dei grani è un mix dei due. La resistenza della martensite si riduce man mano che cresce la quantità di austenite trattenuta.

Trasformazione martensitica

L’indurimento per trasformazione, noto anche come indurimento per trasformazione martensitica, è uno dei metodi più comuni di indurimento, usato principalmente per gli acciai (cioè gli acciai al carbonio e quelli inossidabili). La trasformazione martensitica non è, tuttavia, esclusiva delle leghe ferro-carbonio. Si trova in altri sistemi ed è caratterizzata, in parte, dalla trasformazione senza diffusione.

Gli acciai martensitici usano prevalentemente livelli più alti di C e Mn insieme al trattamento termico per aumentare la resistenza. Il prodotto finito avrà una microstruttura duplex di ferrite con vari livelli di martensite degenerata. Questo permette di variare i livelli di resistenza. In metallurgia, la tempra è più comunemente usata per indurire l’acciaio introducendo la martensite. C’è un equilibrio tra durezza e tenacità in qualsiasi acciaio; più l’acciaio è duro, meno è duro o resistente agli urti, e più è resistente agli urti, meno è duro.

La martensite è prodotta dall’austenite come risultato della tempra, o un’altra forma di raffreddamento rapido. L’austenite nelle leghe ferro-carbonio è generalmente presente solo sopra la temperatura critica eutettoide (723°C), e sotto i 1500°C, a seconda del contenuto di carbonio. In caso di velocità di raffreddamento normali, mentre l’austenite si raffredda, il carbonio si diffonde fuori dall’austenite e forma ferro-carburo ricco di carbonio (cementite) e si lascia dietro la ferrite povera di carbonio. A seconda della composizione della lega, si può formare una stratificazione di ferrite e cementite, chiamata perlite. Ma in caso di raffreddamento rapido, il carbonio non ha abbastanza tempo per diffondersi e si trasforma in una forma tetragonale a corpo centrato altamente tesa chiamata martensite che è supersatura di carbonio. Tutti gli atomi di carbonio rimangono come impurità interstiziali nella martensite. La velocità di raffreddamento determina le proporzioni relative di martensite, ferrite e cementite, e quindi determina anche le proprietà meccaniche dell’acciaio risultante, come la durezza, la resistenza alla trazione e la tenacità.

Martensite temperata

La capacità relativa di una lega ferrosa di formare martensite è chiamata temprabilità. La temprabilità è comunemente misurata come la distanza sotto una superficie temprata alla quale il metallo mostra una durezza specifica di 50 HRC, per esempio, o una specifica percentuale di martensite nella microstruttura. La massima durezza di un acciaio perlitico è di 43 HRC, mentre la martensite può raggiungere 72 HRC. La martensite fresca è molto fragile se il contenuto di carbonio è superiore a circa lo 0,2-0,3%. È così fragile che non può essere usato per la maggior parte delle applicazioni. Questa fragilità può essere rimossa (con una certa perdita di durezza) se l’acciaio temprato viene leggermente riscaldato in un processo noto come rinvenimento. Il rinvenimento si ottiene riscaldando un acciaio martensitico a una temperatura inferiore all’eutettoide per un determinato periodo di tempo (per esempio tra 250°C e 650°C).

Questo trattamento termico di rinvenimento permette, per processi diffusionali, la formazione di martensite temperata, secondo la reazione:

martensite (BCT, monofase) → martensite temperata (ferrite + fasi Fe3C)

dove la martensite BCT monofase, che è supersatura di carbonio, si trasforma in martensite temperata, composta dalle fasi stabili ferrite e cementite. La sua microstruttura è simile a quella della sferoidite, ma in questo caso la martensite temperata contiene particelle di cementite estremamente piccole e uniformemente disperse, incorporate in una matrice continua di ferrite. La martensite temprata può essere dura e forte quasi quanto la martensite, ma con duttilità e tenacità sostanzialmente migliorate.

Acciaio inossidabile martensitico

Gli acciai inossidabili martensitici sono simili agli acciai ferritici, essendo basati sul cromo, ma hanno livelli di carbonio più alti, fino all’1%. A volte sono classificati come acciai inossidabili martensitici a basso e alto contenuto di carbonio. Contengono dal 12 al 14% di cromo, dallo 0,2 all’1% di molibdeno e nessuna quantità significativa di nichel. Quantità più elevate di carbonio permettono loro di essere temprati e rinvenuti come gli acciai al carbonio e a bassa lega. Hanno una moderata resistenza alla corrosione, ma sono considerati duri, forti e leggermente fragili. Sono magnetici e possono essere testati in modo non distruttivo usando il metodo di ispezione delle particelle magnetiche, a differenza dell’acciaio inossidabile austenitico. Un comune inossidabile martensitico è l’AISI 440C, che contiene dal 16 al 18% di cromo e dallo 0,95 all’1,2% di carbonio. L’acciaio inossidabile di grado 440C è usato nelle seguenti applicazioni: blocchi di calibro, coltelleria, cuscinetti a sfera e razze, stampi e matrici, coltelli.

Come è stato scritto, gli acciai inossidabili martensitici possono essere temprati e rinvenuti attraverso molteplici modi di invecchiamento/trattamento termico: I meccanismi metallurgici responsabili delle trasformazioni martensitiche che avvengono in queste leghe inossidabili durante l’austenitizzazione e la tempra sono essenzialmente gli stessi che vengono utilizzati per indurire gli acciai al carbonio e legati a basso tenore di lega. Il trattamento termico comporta tipicamente tre fasi:

• Austenitizzazione, in cui l’acciaio viene riscaldato a una temperatura compresa tra 980 e 1050 °C a seconda dei gradi. L’austenite è una fase cubica a facce centrate.
• Quenching. Dopo l’austenitizzazione, gli acciai devono essere temprati. Le leghe inossidabili martensitiche possono essere temprate usando aria ferma, vuoto a pressione positiva o tempra in olio interrotta. L’austenite si trasforma in martensite, una struttura cristallina dura tetragonale centrata sul corpo. La martensite è molto dura e troppo fragile per la maggior parte delle applicazioni.
• Temperatura, cioè riscaldamento a circa 500 °C, mantenimento della temperatura, poi raffreddamento ad aria. Aumentando la temperatura di rinvenimento, diminuisce il carico di snervamento e il carico di rottura, ma aumenta l’allungamento e la resistenza all’impatto.

La resistenza degli acciai inossidabili agli effetti chimici degli agenti corrosivi si basa sulla passivazione. Affinché la passivazione avvenga e rimanga stabile, la lega Fe-Cr deve avere un contenuto minimo di cromo di circa il 10,5% in peso, al di sopra del quale la passività può avvenire e al di sotto del quale è impossibile. Il cromo può essere usato come elemento indurente ed è spesso usato con un elemento indurente come il nichel per produrre proprietà meccaniche superiori.

Resistenza a trazione

La resistenza a trazione stimata dell’acciaio inossidabile martensitico – grado 440C è 760 MPa.

Durezza

La durezza Brinell dell’acciaio inossidabile martensitico – grado 440C è di circa 270 MPa.

Altre fasi comuni negli acciai e nei ferri

Il trattamento termico degli acciai richiede una comprensione sia delle fasi di equilibrio che delle fasi metastabili che si verificano durante il riscaldamento e/o il raffreddamento. Per gli acciai, le fasi di equilibrio stabili includono:

• Ferrite. La ferrite o α-ferrite è una fase a struttura cubica a corpo centrato del ferro che esiste sotto le temperature di 912°C per basse concentrazioni di carbonio nel ferro. L’α-ferrite può dissolversi solo fino allo 0,02% di carbonio a 727°C. Ciò è dovuto alla configurazione del reticolo del ferro che forma una struttura cristallina BCC. La fase primaria dell’acciaio a basso contenuto di carbonio o dolce e della maggior parte delle ghise a temperatura ambiente è ferromagnetica α-Fe.
• Austenite. L’austenite, conosciuta anche come ferro in fase gamma (γ-Fe), è una fase non magnetica a struttura cubica a facce centrate del ferro. L’austenite nelle leghe ferro-carbonio è generalmente presente solo sopra la temperatura critica eutettoide (723°C), e sotto i 1500°C, a seconda del contenuto di carbonio. Tuttavia, può essere mantenuta a temperatura ambiente da aggiunte di lega come il nichel o il manganese. Il carbonio gioca un ruolo importante nel trattamento termico, perché espande la gamma di temperature di stabilità dell’austenite. Un contenuto di carbonio più alto abbassa la temperatura necessaria per austenitizzare l’acciaio, in modo che gli atomi di ferro si riorganizzino per formare una struttura reticolare fcc. L’austenite è presente nei tipi più comunemente usati di acciaio inossidabile, che sono molto noti per la loro resistenza alla corrosione.
• Grafite. L’aggiunta di una piccola quantità di carbonio non metallico al ferro scambia la sua grande duttilità con una maggiore resistenza.
• Cementite. La cementite (Fe3C) è un composto metastabile, e in alcune circostanze può essere fatto dissociare o decomporre per formare α-ferrite e grafite, secondo la reazione: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafite). La cementite nella sua forma pura è una ceramica ed è dura e fragile, il che la rende adatta a rafforzare gli acciai. Le sue proprietà meccaniche sono una funzione della sua microstruttura, che dipende da come è mescolata con la ferrite.

Le fasi metastabili sono:

• Pearlite. In metallurgia, la perlite è una struttura metallica stratificata a due fasi, composta da strati alternati di ferrite (87,5% in peso) e cementite (12,5% in peso) che si presenta in alcuni acciai e ghise. Prende il nome dalla sua somiglianza con la madreperla.
• Martensite. La martensite è una struttura metastabile molto dura con una struttura cristallina tetragonale a corpo centrato (BCT). La martensite si forma negli acciai quando la velocità di raffreddamento dall’austenite è così alta che gli atomi di carbonio non hanno il tempo di diffondere fuori dalla struttura cristallina in quantità sufficienti per formare la cementite (Fe3C).
• Bainite. La bainite è una microstruttura simile ad una piastra che si forma negli acciai dall’austenite quando le velocità di raffreddamento non sono abbastanza rapide da produrre martensite, ma sono ancora abbastanza veloci in modo che il carbonio non abbia abbastanza tempo per diffondersi per formare perlite. Gli acciai bainitici sono generalmente più forti e più duri degli acciai perlitici; tuttavia presentano una combinazione desiderabile di resistenza e duttilità.